Строительные материалы. Портландцемент презентация

Воздушная известь
Известь была известна очень давно в Греции или еще раньше на Крите. Римляне заимствовали ее у греков.

Пуццолана
Греки и римляне знали, что некоторые вулканические породы будучи измельчены и добавлены к извести придают ей гидравлические свойства. Наилучшей разновидностью таких материалов считался туф из местечка Поццуоли (по-латински Потеоли)

Древнеримский бетон 2000-летней давности
Группа исследователей изучила состав античного бетонного волнолома, который находился в бухте Путтеолы в Средиземном море.
На иллюстрации желтоватые включения - пемза, черные - лава, основной фон - кристаллические материалы, белые - известь.

Гидравлическая известь
Джон Смитон (John Smeaton) (1724—92), англ. инженер по гражд. строительству
Маяк на скалах Эддистона, построенный в 1698 г., был уничтожен бурей в 1703 г. Второй маяк, деревянный, сгорел в 1755 г. В 1756 г. третий вариант маяка, уже из камня, построил Джон Смитон. 120 лет спустя маяк разобрали. Отстроенный заново маяк можно видеть на фото
Д. Смитон искал наилучшее сырье для получения извести. Из известкового раствора он лепил шары жесткой консистенции и опускал их в воду немедленно после схватывания. Оказалось, что те из них, которые содержат значительное количество глинистых примесей, дают известь более высокого качества. В 1756 г. Д. Смиту был выдан патент на гидравлическую известь

Романцемент
1796 году Джеймс Паркер,британский священник и производитель цемента, получил патент под названием «Некий Цемент или Террас, который будет использоваться в гидротехнических и других конструкциях и лепнине»
Он создал свой завод в Нортфлите, графство Кент.
Но продал свой ​​патент Самуэлю Уайатту, кто со своим двоюродным братом Чарльзом производит цемент под именем Паркер & Уайатт. Сам Паркер эмигрировал в Америку в 1797 году , и вскоре умер. Романцемент Уайатта был использован в строительстве знаменитого маяка Bell Rock. Цемент производился из мела и глины с острова Sheppey. Начиная примерно с 1807 многие пытались получить собственные версии этого цемента. Среди них были Джеймс Фрост , кто имел около двадцати патентов, и Джозеф Аспдин – изобретатель Портландцемента.

Портландцемент
Открытие Паркера вызвало множество исследований, среди которых особенно известны труды французского инженера Луи Викá, выяснившего причины гидравличности глинистых известняков.
В 1817 он получил портландцемент, но не стал подавать заявку на патент
Pont de Louis Vicat à Souillac
Луи Вика (1786-1861)
Прибор Вика

Портландцемент
Компания Паркер и Уайатт вышла из бизнеса в 1846 году , и завод Нортфлит был продан компании Уильяма Аспдина.
Джозеф Аспдин (1778 - 1855) старший из шести детей Томаса Аспдина, каменщик из Лидса, графство Йоркшир, считается изобретателем портландцемента.
К 1817 он создал самостоятельный бизнес в центре Лидса. Он, должно быть, экспериментировал с производством цемента в течение следующих нескольких лет, потому что 21 октября 1824 им был получен британский патент BP 5022 под названием «Улучшение способа производства искусственного камня» , в котором он ввел термин " Портландцемент " по аналогии с камнем Портленде, оолитового известняка, который добывается на острове Портленд в Дорсете .

Портландцемент
Получение, процессы при твердении, свойства, применение

Портландцемент (ПЦ) есть гидравлическое вяжущее вещество — продукт тонкого измельчения клинкера, получаемого обжигом до спекания сырьевой смеси, состоящей чаще всего из
известняка (75-78 %), содержащего CaCO3, и
глины (25-22 %), дающей при разложении нужное количество кислотных окислов:
SiO2, Al2O3 и Fe2O3.
Эти окислы должны связать всю свободную известь CaO, образующуюся при разложении CaCO3, в труднорастворимые соединения:
ЗСаО·SiO2
2СаО·SiO2
ЗСаО·Al2O3
4СаО·Al2O3·Fe2O3

Подготовка сырьевой шихты
(добыча, дробление, помол, гомогенизация)
Известняк (мел)
Глина
(глинистый сланец)
Корректирующие добавки
(кварц, боксит, огарки, каолин)
Обжиг
Клинкер
Природный
гипс
Активные минеральные добавки
(вулканические пеплы, туфы, трассы, диатомит, трепел, опока, глиежи, шлаки, зола-унос, микрокремнезем, метакаолин)
Помол
Помол
Портландцемент
Портландцемент с мин. добавками
Пуццолановый портландцемент
Шлакопортландцемент

Получение портландцемента
Добыча известняка

Получение портландцемента
Добыча глины

Получение портландцемента
Приготовление сырьевой смеси
Сухой способ
Мокрый способ
Достоинства:
1. Отсутствие сушки
2. Облегченный мокрый помол
3. Снижение затрат на помол
4. Отсутствие пыли
Недостатки:
1. Повышенный расход топлива при обжиге
2. Неприменим при добавке доменного гран. шлака
Сырьевая мука
Шламм
Достоинства:
Пониженный расход топлива при обжиге
Недостатки:
Необходимость сушки
2. Повышенные затраты на помол
3. Наличие пыли

Шламм-бассейн

Химический состав сырья
Важнейшие окислы
СаО – окись кальция
SiO2 – кремнезем
Al2O3 – глинозем
Fe2O3 – окись железа
Нежелательные
МgO≤5 %;
SO3=1,5-3,5 %
(Nа2O+К2О)≤0,6 %

Обжиг
проводят исключительно во вращающихся печах

Вращающаяся обжигательная печь

Вращающаяся печь мокрого способа
1 - дымовая труба; 2 - дымосос; 3 - электрофильтр; 4 - система пылевозврата;
5 - шламовая труба; 6 - пылеулавливающая камера; 7 - цепная завеса;
8 - вращающаяся печь; 9 - головка печи; 10 - топливная форсунка;
11 -колосниковый холодильник; 12 - решетка горячей камеры; 13 - решетка холодной камеры; 14 - вентилятор острого дутья; 15 - вентилятор общего дутья; 16 - клинкерная дробилка; 17 - клинкерный транспортер; 18 - осадительный циклон; 19 вентилятор избыточного воздуха.

Процессы при обжиге

Получение портландцемента
Портландцементный клинкер

Микроструктура портландцементного клинкера

Микроструктура портландцементного клинкера
Алит
Белит
Алюминат
Целит

Минералы портландцементного клинкера
ЗСаО·SiO2 - трехкальциевый силикат
2СаО·SiO2 - двухкальциевый силикат
ЗСаО·Al2O3 - трехкальциевый алюминат
4СаО·Al2O3·Fe2O3 - четырехкальциевый иииииииииииииииииииииалюмоферрит

Минералы портландцементного клинкера
ЗСаО·SiO2 – C3S
2СаО·SiO2 – C2S
ЗСаО·Al2O3 – C3A
4СаО·Al2O3·Fe2O3 – C4AF
СаО – C
SiO2 – S
Al2O3 – A
Fe2O3 –F

Минералы портландцементного клинкера
С3А>C3S>C4AF>C2S

Помол клинкера

Клинкер
Природный
гипс
Помол
Портландцемент
Помол клинкера с добавкой гипса
CaSO4·2H2O

Химические процессы при гидратации портландцемента
ЗСаО·SiO2 + H2O → Ca(OH)2 + 2СаО·SiO2·2H2O
2СаО·SiO2 + H2O → 2СаО·SiO2·2H2O
3CaO·Al2O3 + 6H2O → 3CaO·Al2O3·6H2O
4СаО·Al2O3·Fe2O3+ 6H2O → 3CaO·Al2O3·6H2O + CaO·Fe2O3·H2O
3CaO·Al2O3·6H2O + 3(CaSO4·2H2O) + 19H2O →
→ 3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O
Гидросульфоалюминат кальция (эттрингит)
С3А
С3А
С3А
С3А

Гидросульфоалюминат кальция (эттрингит)
3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

Химические процессы при гидратации портландцемента

Физические процессы при твердении портландцемента
Анри Луи Ле Шателье (1850-1936) – французский физик и химик

Кристаллизационная теория Ле-Шателье
CaSO4·0,5H2O + 1,5H2O = CaSO4·2H2O
Реакция гидратации строительного гипса
7,4 г СаО на 1 л воды
2,05 г СаО на 1 л воды
CaSO4·0,5H2O
CaSO4·2H2O
2,05 г СаО/л
7,4 г СаО/л
1882 г.

Кристаллизационная теория Ле-Шателье
CaSO4·0,5H2O + 1,5H2O = CaSO4·2H2O
2,05 г СаО/л
7,4 г СаО/л
1882 г.
РАСТВОРИМОСТЬ

Коллойдная теория Михаэлиса
1893 г.
Зерна цемента
Кристаллы Ca(OH)2
Гель
Кристаллы Ca(OH)2

Теория А.А.Байкова
1925 г.
Коллоиды
Кристаллы
Алекса́ндр Алекса́ндрович Байко́в
(1870-1946) — русский металлург и химик
Раствор

www.schleibinger.com
Терминология
Цемент + вода = тесто (паста)
Паста + Песок = Раствор
Раствор + Заполнители = бетон

Свойства портландцемента
1. Истинная плотность – 3,05-3,20 г/см3.
2. Тонкость помола: удельная поверхность 2500—3000 см2/г;
остаток на сите № 008 ≤15 % от массы пробы.
Прибор Блейна
Колба Ле Шателье
Сито № 008 (0,08 мм)

Свойства портландцемента
3. Водопотребность – 24-30 %
Прибор Вика
Водопотребность – количество воды, необходимое для получения теста нормальной густоты

Автоматический прибор Вика
Свойства портландцемента
4. Сроки схватывания
начало схватывания - не ранее 45 мин.,
конец схватывания - не позднее 10 ч от начала затворения.
Прибор Вика
Схватывание ускоряется при повышении тонкости помола цемента и содержания в нем С3А.

Свойства портландцемента
4. Сроки схватывания
Пенетрометр
С помощью добавок схватывание цемента можно ускорить или замедлить
Конус СтройЦНИЛ
Влияние добавки-замедлителя «Центрамент Ретард 390» на пластическую прочность цементной пасты

Свойства портландцемента
5. Скорость твердения
Скорость твердения портландцемента возрастает с повышением тонкости помола и температуры.
Алито-алюминатный пц
Белито-целитовый пц

Свойства портландцемента
6. Тепловыделение
Скорость тепловыделения портландцемента зависит от: 1) тонкости помола;
2) температуры;
3) Минералогического состава.

Термосный калориметр для определения тепловыделения цемента
1 – образец бетона;
2 – металлический стакан;
3 – нагревательная проволока;
4 – сосуд Дьюара;
5 – пенопластовая пробка;
6 – термостат;
7 – вентилятор;
8 – нагреватель

Сосуды Дьюара для определения тепловыделения и теплоемкости бетона

Свойства портландцемента
7. Усадка и набухание

Определение воздушной усадки

Свойства портландцемента
8. Активность цемента (прочностные свойства цемента)
Активностью цемента называют предел прочности при сжатии стандартных образцов-балочек 40х40х160 мм, выполненных из цементного раствора состава 1:3 с нормальным песком, выдержанных при t=(20±2) ºC: 1 сутки во влажной (φ≥96 %), остальное время в воде и испытанных в возрасте 28 суток сначала на изгиб, а затем половинки образцов на сжатие.
Rц = 30÷60 МПа

Трехсекционная форма для стандартных образцов

Испытание на изгиб

Испытание на изгиб

Прибор МИИ-100 для испытания на изгиб

Испытание на сжатие

Испытание на сжатие

Пресс гидравлический ПСУ-50А, ЗИМ г. Армавир
Создаваемое усилие
0 - 20 тс,
0 - 50 тс.
Погрешность 2 %

Стандартный смеситель для цементного раствора
По ГОСТ 30744 перемешивают:
1) 30 с цемент с водой на малой скорости,
2) с песком на большой скорости по режиму: 30– 90– 60 с

Определение нормальной густоты (водопотребности) цементного раствора

Уплотнение образцов по ГОСТ 310-80 производится на стандартной виброплощадке в течение 3 мин.

Уплотнение образцов по ГОСТ 30744-2001 производится с помощью встряхивающего устройства двумя циклами (для каждого из двух слоев производится по 60 падений с высоты 15 мм)

Хранение образцов-балочек из цементного раствора

Хранение образцов-балочек из цементного раствора

Хранение образцов-балочек из цементного раствора

ГОСТ 30744-2001 Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка
ГОСТ 30515-97 Цементы. Общие технические условия
ГОСТ 31108-2003 Цементы общестроительные. Технические условия
ГОСТ 6139-2003 Песок для испытаний цемента. Технические условия
ГОСТ 310.1-76 Цементы. Методы испытаний. Общие положения
ГОСТ 310.2-76 Цементы. Методы определения тонкости помола
ГОСТ 310.3-76 Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема
ГОСТ 310.4-81 Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии
ГОСТ 310.5-88 Цементы. Метод определения тепловыделения
ГОСТ 310.6-85 Цементы. Метод определения водоотделения
ГОСТ 10178-85 Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия

Требования к вещественному составу цементов по ГОСТ 31108-2003

Оценка равномерности изменения объема ГОСТ 310
CaOсвоб + H2O = Ca(OH)2
MgO + H2O = Mg(OH)2

Оценка равномерности изменения объема ГОСТ 30744-2001

Оценка равномерности изменения объема ГОСТ 30744-2001

Оценка равномерности изменения объема ГОСТ 30744-2001